Генетические основы микрогаметофитного отбора кукурузы Лях, Виктор Алексеевич

Введение к работе

uL.^j.;.-- --'

Актуальность теш

В настоящее время интенсификация процесса селекции высокоурожайных сортов и гибридов во многом сдерживается из-за отсутствия простых и, вместе с тем, надежных методов оценки и отбора ценных генотипов (в том числе устойчивых к температурным стрессам) на различных этапах селекционного процесса, включая самые ранние. В решении данного вопроса немаловажная роль отводится отбору на микрогаметофитном уровне. Принципиальная возможность проведения такого отбора основывается на предположении об экспрессии части генов генома спорофита в гаплоидной.фазе развития растения (Mulcahy, 1979), а такие две характерные особенности мужского гаметофита как микроскопические размеры и гаплоидный генотип позволяют надеяться на успешное использование микрогаметофитного отбора в различных селекционных программах, поскольку при его применении селекционный процесс может быть в значительной степени интенсифицирован (Mulcahy, 1984; Ottaviano, Mulcahy, 1989).

Наиболее изученным в плане успешного осуществления отбора ценных генотипов на гаплоидном уровне является томат, что, по-видимому, связано со способностью его мужского гаметофита выдерживать^-различные манипуляции (Zamlr et al., 1982; Sacher et al., 1983; Жученко и др., 1986; Кравченко, Лях и др., 1988; Балашова и др., 1992). На кукурузе исследования подобного рода единичны и не носят систематизированного характера, что, скорее всего,объясняется недостаточной разработкой теоретических и экспериментальных основ микрогаметофитного отбора у данной культуры. Появившиеся лишь в последние годы публикации указывают на возвозможность проведения эффективного гаметофитного

отбора на гербицидоустойчивость (Sari Gorla et al., 1989) И устойчивость к пониженной температуре (Barnabas, Kovacs.1989). При этом в последнем случае селекцию проводили только на стадии зрелого шльцевого зерна. Данные же об отборе генотипов устойчивых к повышенной температуре на микрогаметофитном уровне, также как и отбор на холодоустойчивость на иных, кроме зрелой .пыльцы, стадиях мужского гаметофита, в литературе вообще отсутствуют.

Несмотря на хорошо известную способность пыльцы кукурузы переноситься воздушным потоком на значительное расстояние, совершенно не изучены свойства пыльцы, различающейся по летательной способности, а также связь между данным признаком мужского гаметофита и различными признаками спорофита.

Практически не разработан и вопрос о возможности осуществления успешного микрогаметофитного отбора на инбредных линиях кукурузы.

Вышесказанное предполагает проведений интенсивных' исследований в области микрогаметофитного отбора на кукурузе, являющейся важным объектом сельского хозяйства во многих странах. При этом особую актуальность, на наш пзгляд, приобретает вопрос отбора температуроустойчивых генотипов, поскольку как по₇ ниженные, так и-повышенные₍температуры, действующие в различные периоды онтогенеза, являются наиболее лимитирующими для кукурузы.

Экспрессия генов в гаплоидном поколении является не только основой для разработки методов отбора ценных генотипов на микрогаметофитном уровне; но и методов оценки качества спорофита по их мужскому гаметофиту. Кроме того, сценка устойчи-

вости на уровне пыльцы представляет и самостоятельный интерес, так как данное свойство микрогаметофита является весьма важным признаком в селекции кукурузы.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы являлось изучение генетической активности генома микрогаметофита как на стадиях его развития, так и функционирования, связи в проявлении гаметофитных и спо-рофитных признаков и на основе этого разработка методов оценки и отбора- на микрогаметофитном уровне ценных в хозяйственном отношении генотипов.

Исходя из цели определены следующие задачи:

1. Изучить реакцию мужского гаметофита на действие температурного фактора у различных генотипов кукурузы. Выявить связь между стрессоустойчивостыо микрогаметофита и спорофита.

2. Установить особенности изменения моногибридного расщепления и оценок частоты рекомбинации вр, в зависимости от температурной обработки микрогаметофитов в Р₁. Определить хромосомы, гены которых детерминируют чувствительность к высокой и пониженной температуре у мукского гаметофита на стадиях созревания пыльцы, зрелого пыльцевого зерна, прорастания пыльцы и роста пыльцевой трубки.

3. Исследовать влияние отбора температуроустойчивых мик-рогаметофитов в гетерогенной популяции пыльцы на качество образующегося спорофитного поколения.

4. Изучить возможность использования методов оценки и отбора пыльцы по теплоустойчивости в селекции кукурузы.

5.. Выявить свойства пыльцы, различающейся по летательной

с: 3

способности. Определить влияние отбора В F., пыльцы по ее способности переноситься в горизонтальном воздушном потоке на структуру и качество расщепляющихся популяций Р₂.

6. Исследовать связь между жизнеспособностью пыльцы и
морфоцитохимическими параметрами ядер вегетативной и генера
тивной клеток.

7, Изучить возможность дифференциации инбредных линий на
8КОТИШ-ПОДЛИНИИ за счет отбора на микрогаметофитном уровне.

На защиту и обсуждение выносятся следующие положения:

о дифференциальной реакции мужского гаметофита на действие температурного фактора и положительной связи между стрессоустойчивостыо микрогаметофита и спорофита;

об экспрессии в мужском гаметофите генов, детерминирующих его чувствительность к повышенной и пониженной температурам, и их локализации по хромосомам;

об отборе температуроустойчивых генотипов в результате воздействия на мужской гаметофит и использовании методов оценки и отбора на гаплоидном уровне в создании новых линий кукурузы; .

об отборе жизнеспособной пыльцы кукурузы за счет сепарирования в горизонтальном воздушном потоке и использовании фракционированной по летательной способности пыльцы в F₁ для изменения структуры расщепляющихся популяций Р₂;

о связи между жизнеспособностью пыльцы и некоторыми морфологическими параметрами ядра вегетативной клетки;

о возможности дифференциации по скороспелости инбредных линий на подлинии за счет проведения микрогаметофитного отбора.

Н_;!7"ч.ЧП:і IIZ'VAZIIK)

t,

Епарзые в науке раскрыты основи отбора ценных, прелде всего тсмперптуроустойчпвих, генотипов в нуяскам гемето^нтнсм поколении кукурузы. В тої' чкслз показано, что на уровне курского гамето'фнта гмоотся значительная генетическая гетерогенность по признак?;-! устойчивости к повышенной и погашенной температурам, при этом хотя бы часть генов, детерт-'.шглрущих 'чувствительность гамэтс^ита к температурному стрессу, экспрессируется з спорофите. .

Экспериментально определены параметры тешературного воздействия, в наилучшей степени дпффэренцлруккше различные генотипы кукурузы по устойчивости !К микрогачетофптов К ПОЕЦИЭИНОЙ (стадия зрелого пальцевого зерна) и пониженной (стадия прорастания пыльцы и роста пыльцевой трубки) температурам.' Обнаружена высокая положительная связь швду устойчивостью гамэто-фита и спорофита- к температурному фактору.

Выявлена значительная генетическая-активность гаплоидного генома кукурузы. Впервые установлено, что в условиях температурного стресса микрогачетофит на каздой стадии характеризуется своим набором экспрессирукщася генов, причем некоторые из них проявляются как на этапах развития, так и функционирования. Обнаружено, что гены, детерминирующие чувствительность микрогаметофита к температуре, локализованы: на стадии созревания пыльиы - во 2-й, ' 3-й, 4-й и 10-й, зрелого пыльцевого зерна - 1-й, 3-й, 4-й и 10-й, прорастания пыльцы и роста пыльцевой трубки - 1-й, 4-й, 7-й и 8-й хромосомах.

Определена связь- между стрессоустойчивостъю мужского га-метофита и различны признаками спорофита. Выявлена значи-

тельная эффективность отбора в гетерогенной популяции мшсрога-кетофитов на засухо- и холодоустойчивость в результате температурного воздействия на мужской гаметофит. Показано, что отбор гамет на устойчивость к повышенной температуре благоприятствует реализации в процессе опыления-оплодотворения гаплоидных генотипов, несущих гены, детерминирующие мощный фенотип, а также ген .(гены) восстановители фертильності! пыльцы стерильной цитоплазмы молдавского типа.

Продемонстрировано использование методов пыльцевой оценки
и отбора на.теплоустойчивость в создании новых линий и высоко
урожайных, гибридов кукурузы. При этом данные методические под
ходи могут быть использованы на различных этапах селекционного
процесса, включая саше ранние. - . '

Впервые исследованы свойства пыльцы, различающейся по летательной способности, и установлено, что отбор но данному признаку может существенно изменять структуру расщепляющейся популяции.

Выявлена высокая отрицательная сыч... ;х;,..,у .^кшоспсооб- . ностью пыльцы и некоторыми морфологически'.!: п^'.'штра:.:, .чдрл вегетативной клетки пыльцевого зерна. ^

Показана принципиальная возможность огбора цеші;:і гл.ог::-пов в мукском гаметофитном поколении инбрс-длых линий кукуруз..

теоратическое и практическое значении

Результаты, полученные в диссертационной работе, развивают представление о роли микрогаметофитного отбора в зволюцин покрытосеменных растений', и позволяют рассматривать его в качестве -одного из важнейших механизмов, регулирующих генетическую изменчивость в природных и искусственных популяциях.

В силу того, что микрэгачетсфпт и спорофит одного и того :;-:е генотипа, как правило, характеризуются однотипной реакцией па действие температурного фактора, о качестве последнего полно судить по гаметофнту. Разработанные методо оценки ;::аро- и холодоустойчивости генотипов кукурузы на основе анализа гшль-цы, закропленше двумя авторскими свидетельства', могут использоваться на различных этапа:-: селекционного процесса, .включая самые ранние.

Основываясь на связи ме:;:ду признаками гаметофита и спорофита, для увеличения в популяциях частоты скороспелых, ::шро-, засухо- и холодоустойчивых генотипов, а так:::е генотипов с более мезным габитусом растения, мо:::зт использоваться отбор в мукском гачетофитном поколении гибридов ?₁.

Методические приемы, основанные на оценке и отборе пыльцы на устойчивость к повышенной 'температуре, могут найти успешное применение в создании новых засухо- и жаростойких линий кукурузы, а два получешшх нами гибрида, в состав которых вошли аналоги линий, созданных методами пыльцевого отбора, рекомендуются для производства.

Учитывая, что в селекционно-генетических исследованиях к качеству.- пыльцы кукурузы нередко предъявляют самые высокие требования,'для'отбора жизнеспособных пыльцевых зерен из популяции микрогаметофитов предлагается использовать сепарирование пыльцы в горизонтальном воздушном потоке с последующим выделением фракции ближней к источнику воздушного потока.

В процессе экспериментальных исследований по микрогамето-фитному отбору была выявлена значительная- элиминация на различных температурных фонах некоторых генотипов пыльцы на стадиях созревания и зрелого пыльцевого зерна. Эти ре-

зультаты должны приниматься во внимание при использовании в различных селекционных программах широко распространенных, методов хранения пыльцы, основаниях на вздер:киваыш в лабораторних условиях как метелок, так и зрелых гшльцэвих зерен, шдз-ленннх из растения, поскольку в данном случае часть ценных генотипов монет быть потеряна еще до опплзнил.

Апробация

Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по экологической генетике растений и кивотных (Кишинев, 1987), 3-м Международном симпозиуме по клеткам спермиев у высших растений (Венгрия, Мартонвазар, 1989), Всесоюзной конференции по частной renounce растений (Киев, 1989), Всесоюзном совещании по методам отбора по комплексам признаков в селекции растений (Симферополь, 19а9), Всесоюзной конференции по онтогенетике впсзг.гх рутений (їСилп-нев, 1989), Международном симпозиуме по гл\'р;о;:ггш! и семенной репродукции (Ленинград, 1990), Мевдунар:,-!!."?.! симпозиуме' по пыльце и яйцеклеткам покрытосеменных раст-'іііпі il'iTass.r., Кем о, 1991), Всесоюзной конференции по экологической генетике растений, животных и человека (Кишинев, 1991), VI съезде ЧОРнС (Кишинев', 1992)..

Структура и объаи щюсераацпп

Диссертация изложена на 261 странице ; 'Сымлп'люго текста и состоит из введения, обзора литературы, м^ерпала и методов, .пяти экспериментальных глав, выводов и списка использованной литературы. В работе приведены 38 таблиц и 23 рисунка. Список литературы включает 330 наименований, в том числе 235 иностранных авторов.